Бозон Хиггса

Моделирование, показывающее появление бозона Хиггса

Бозон Хи́ггса, Хи́ггсовский бозо́н, хиггсо́н^[1] — теоретически предсказанная элементарная частица, элементарный бозон, квант поля Хиггса, с необходимостью возникающий в Стандартной модели вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. По построению, хиггсовский бозон является скалярной частицей, то есть обладает нулевым спином. Постулирован Питером Хиггсом в его фундаментальных статьях, вышедших в 1964 году^[2][3]. В рамках Стандартной модели отвечает за массу элементарных частиц.

Бозон Хиггса первоначально был предсказан в теории, и после нескольких десятков лет поиска 4 июля 2012 года представители ЦЕРН сообщили, что на обоих основных детекторах БАК наблюдалась новая частица с массой около 125—126 ГэВ^[4]. Есть веские основания считать, что эта частица является бозоном Хиггса^[5][6][7].

Предсказание открытия

В теории, при минимальной реализации хиггсовского механизма должен возникать один нейтральный хиггсовский бозон (в научных работах такая частица называется SM Higgs); в расширенных моделях спонтанного нарушения симметрии может возникнуть несколько хиггсовских бозонов различной массы, в том числе и заряженные.

Впрочем, существуют модели, не требующие введения бозона Хиггса для объяснения масс наблюдаемых частиц Стандартной модели, так называемые бесхиггсовские модели. Отрицательный результат поисков бозона Хиггса послужил бы косвенным аргументом в пользу подобных моделей.

Эксперименты по поиску и оценке массы хиггсовского бозона

Поиски хиггсовского бозона в Европейском центре ядерных исследований на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) (эксперимент завершён в 2001 году, энергия 104 ГэВ на каждый пучок, то есть суммарная энергия пучков в системе центра масс 208 ГэВ) не увенчались успехом: были зафиксированы три события-кандидата на детекторе ALEPH при массе 114 ГэВ, два — на DELPHI и одно — на L3. Такое количество событий приблизительно соответствовало ожидавшемуся уровню фона. Предполагается, что вопрос о существовании бозона Хиггса прояснится окончательно после вступления в строй и нескольких лет работы Большого адронного коллайдера (LHC).

В 2004 году была проведена повторная обработка данных эксперимента D0 по определению массы t-кварка, проводившегося на синхротроне Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, в ходе этой обработки была получена уточнённая оценка массы, что привело к переоценке верхней границы массы бозона Хиггса до 251 ГэВ.^[8]

В 2010 году в ходе экспериментов на Тэватроне исследовательской группой DZero была обнаружена 1-процентная разница в числе образующихся при распаде В-мезона мюонов и антимюонов^[9]. Вскоре было объявлено о том, что причиной расхождения могло стать существование не одного, а пяти бозонов Хиггса — в рамках теории суперсимметрии могут существовать заряженные положительно и отрицательно, скалярные (легкий и тяжелый) и псевдоскалярный бозоны^[10]. Ожидается, что подтвердить или опровергнуть данную гипотезу помогут эксперименты на Большом адронном коллайдере.

В июле 2011 года коллаборации ATLAS и CMS выявили отклонение статистики в районе массы 130—150 ГэВ в результатах, представленных на конференции EPS-HEP’2011 в Гренобле, что возможно указывает на существование бозона Хиггса.^[11] Однако данные с Большого адронного коллайдера продолжают поступать, и последующая обработка, возможно, нивелирует полученные отклонения. Между тем, на той же конференции был закрыт (с 3%-м отклонением) диапазон от 150 ГэВ до 400 ГэВ (за исключением небольших окон), где бозон Хиггса существовать не может.^[12][13]

В ноябре 2011 года коллаборации ATLAS и CMS сузили интервал масс возможного существования бозона до 114—141 ГэВ^[14]. Интервал от 141 до 443 ГэВ был исключён с вероятностью 99 % за исключением трёх узких окон между 220 и 320 ГэВ^[15].

13 декабря 2011 года коллаборации ATLAS и CMS представили предварительные результаты обработки данных 2011 года, основной вывод состоит в том, что бозон Хиггса Стандартной модели, если он существует, скорее всего, имеет массу в интервале 116—130 ГэВ по данным эксперимента ATLAS, и 115—127 ГэВ — по данным CMS. Оба эксперимента наблюдают превышение сигнала над фоном в этих интервалах в различных предполагаемых каналах распада бозона Хиггса. Интересно то, что несколько независимых измерений указывают на область от 124 до 126 ГэВ.^[16] Пока слишком рано говорить о том, что ATLAS и CMS открыли бозон Хиггса, но эти обновлённые результаты вызывают большой интерес в сообществе физики элементарных частиц. Тем не менее, для окончательных утверждений о существовании или несуществовании бозона Хиггса требуется больший объём данных, который ожидается в 2012 году.^[17][18]

2 июля 2012 года коллаборации D0 (англ.) и CDF (англ.) заявили, что по результатам анализа данных ускорителя Тэватрон имеется некоторый избыток, который может быть интерпретирован как вызванный бозоном Хиггса с массой в диапазоне 115—135 ГэВ со статистической значимостью 2,9 стандартных отклонения, что меньше порога в 5 сигма, необходимого для того чтобы заявить об открытии частицы.^[19][20][21]

4 июля 2012 года, на научном семинаре CERN, проходившем в рамках научной конференции ICHEP 2012 в Мельбурне^[22], были изложены предварительные результаты экспериментов ATLAS и CMS по поиску бозона Хиггса за первую половину 2012 года. Оба детектора наблюдали новую частицу с массой около 125—126 ГэВ с уровнем статистической значимости 5 сигма. Предполагается что данная частица — бозон, при этом она — самый тяжёлый из когда-либо обнаруженных бозонов.^[4][5] На семинар были приглашены физики Франсуа Энглер (англ.), Карл Хаген (англ.), Питер Хиггс и Джеральд Гуральник (англ.), которые являются одними из «авторов» механизма Хиггса.^[23]

Бозон Хиггса в массовом сознании

Бозон Хиггса — последняя найденная частица Стандартной модели. Частица Хиггса так важна, что в заголовке книги нобелевского лауреата Леона Ледермана (The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? (англ.)) она названа «god particle» (частица бога или частица-бог)^[24], а сам Ледерман изначально предлагал вариант «прокля́тая частица» (англ. goddamn particle), отвергнутый редактором. Это ироничное название широко употребляется средствами массовой информации^[25]. Многие учёные не одобряют это прозвище, считая более удачным «бозон бутылки шампанского» (англ. The champagne bottle boson) — из-за игры образами, так как потенциал комплексного поля Хиггса напоминает донышко бутылки шампанского, а его открытие явно приведёт к опустошению не одной такой бутылки^[26].

Открытие этой частицы сделало основную теорию Стандартной модели возможной, однако в физике элементарных частиц уже были разработаны её расширения (бесхиггсовские модели).

Литература

• Богуш А. А. Введение в калибровочную полевую теорию электрослабых взаимодействий. — 2-e изд. — УРСС, 2003. — ISBN 5-354-00436-5
• А. И. Вайнштейн, В. И. Захаров, М. А. Шифман. Хиггсовские частицы // УФН. — 1980. — Т. 131. — № 8.
• Ансельм А А, Уральцев Н Г, Хозе В А "Хиггсовские частицы" УФН 145 185–223 (1985)

Примечания

1. ↑ С.В.Кетов. Введение в квантовую теорию струн и суперструн. Новосибирск: Наука, 1990. ISBN 5-02-029660-0, с. 258 "В теории необходим по крайней мере один физический хиггсон H₀ со спином 0"
2. ↑ P. W. Higgs. Broken symmetries, massless particlees and gauge fields (англ.) // Phys. Lett.. — 1964. — Vol. 12. — P. 132—133. — DOI:10.1016/0031-9163(64)91136-9
3. ↑ P. W. Higgs. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 1964. — Vol. 13. — P. 508—509. — DOI:10.1103/PhysRevLett.13.508
4. ↑ ^{1 2} CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson — Пресс-релиз CERN, 4.07.2012  (англ.)
5. ↑ ^{1 2} Физики обнаружили претендента на роль бозона Хиггса // Lenta.ru 4.07.2012
6. ↑ В ЦЕРНе объявлено об открытии хиггсовского бозона — Elementy.ru, 4.07.2012  (рус.)
7. ↑ "физическое сообщество считает, что хиггсовский бозон открыт" — Elementy.ru, 16.07.12
8. ↑ D0 Collaboration (V. M. Abazov et al.). A precision measurement of the mass of the top quark // Nature. — 2004. — Т. 429. — P. 638. — arΧiv:hep-ex/0406031
9. ↑ Бесценное расхождение: Замечательный процент // Журнал «Популярная механика»
10. ↑ Пять бозонов Хиггса: Кто больше? // Журнал «Популярная механика»
11. ↑ Избыточные события намекнули на бозон Хиггса
12. ↑ Combined SM Higgs search, ATLAS Detector, LHC
13. ↑ Combined Results on SM Higgs Search With The CMS Detector
14. ↑ Geoff Brumfiel. Higgs hunt enters endgame  (англ.), Nature News (18 November 2011). Проверено 3 декабря 2011.
15. ↑ The ATLAS collaboration. Combined Standard Model Higgs boson searches with up to 2.3 fb-1 of pp collisions at sqrt{s}=7 TeV at the LHC
16. ↑ Теоретики обсуждают последние данные LHC по хиггсовскому бозону «Элементы», 27.12.11
17. ↑ CERN Press Release
18. ↑ Поиски бозона Хиггса стандартной модели в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере в 2010—2011 годах пресс-релиз, CMS CERN, 13.12.2011
19. ↑ Tevatron scientists announce their final results on the Higgs particle. Fermilab press room (July 2, 2012). Архивировано из первоисточника 4 августа 2012. Проверено 2 июля 2012.
20. ↑ Тэватрон сделал последнюю ставку на диапазон масс бозона Хиггса, «РИА Новости», 02.07.2012.
21. ↑ Элементы - новости науки: Тэватрон обновил свои результаты по поиску хиггсовского бозона
22. ↑ О новых результатах, по поиску хиггсовского бозона объявят 4 июля, 23.06.12, Элементы.ру
23. ↑ Физики ЦЕРНа представят данные о возможном открытии бозона Хиггса, «РИА Новости», 03.07.2012
24. ↑ Митио Каку. Физика невозможного. — Альпина нон-фикшн, 2011. — С. 381. — 456 с. — ISBN 978-5-91671-057-1
25. ↑ «Частица Бога» не откроет тайну американцам
26. ↑ Higgs particle // LHC

Ссылки

Викиновости по теме:
Учёные близки к открытию «частицы Бога»

• Поиск хиггсовского бозона на LHC
• Gordon Fraser. Season of Higgs and melodrama CERN Courier Vol.41, № 2, pp.24-26 (March 2001), перевод Н. Никитина
• Higgs physics at the LHC (англ.)
• ЦЕРН о Бозоне Хиггса (англ.)
• Бозон Хиггса // Л. Н. Смирнова. ДЕТЕКТОР ATLAS БОЛЬШОГО АДРОННОГО КОЛЛАЙДЕРА. Кафедра общей ядерной физики физического факультета МГУ
• BBC Horizon о Бозоне Хиггса
• Хиггсовский бозон: открытие и планы на будущее
• Бозон Хиггса // Лекция Д.И. Казакова в проекте ПостНаука (09.06.2012)
• Открытие бозона Хиггса // Лекция Д.И. Казакова в проекте ПостНаука (27.07.2012)
• Проблема поиска бозона Хиггса // Статья Д.И. Казакова в проекте ПостНаука (09.08.2012)
• Лекция Андрея Семихатова "Жизнь после Хиггса"

Частицы в физике

 

Элементарные частицы	Фермионы Кварки u · d · c · s · t · b Лептоны e− · e+ · μ− · μ+ · τ− · τ+ · νe · νe · νμ · νμ · ντ  · ντ Бозоны Калибровочные бозоны γ · g · W-бозон · Z-бозон бозоны Хиггса H0 Другие Ду́хи Гипотетические Суперпартнёры Гейджино Чарджино · Глюино · Гравитино · Нейтралино Другие Аксино · Хиггсино · Сфермион Другие A0 · Дилатон · G · J · Тахион · X · X (4140) Y · W’ · Z’ · Стерильное нейтрино
Составные частицы	Адроны Барионы / Гипероны Нуклоны (p · p · n · n)  · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω Мезоны / Кварконии π · ρ · η · η′  · φ · ω  · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T Другие Атомные ядра · Атомы · Экзотические атомы (Позитроний · Мюоний · Кварконий) · Молекулы Гипотетические Экзотические адроны Экзотические барионы Дибарион · Пентакварк Экзотические мезоны Глюбол · Тетракварк Другие Мезонная молекула · Померон
Квазичастицы	Солитон Давыдова · Экситон · Биэкситон · Магнон · Фонон · Плазмон · Поляритон · Полярон · Примесон · Ротон · Биротон · Дырка · Электрон · Куперовская пара · Орбитон · Трион · Фазон · Флуктуон · Энион · Холон и спинон
Списки	Список частиц · Список квазичастиц · Список барионов · Список мезонов · История открытия частиц